光纖激光器中包層光濾除器的研究進(jìn)展

趙 水,段云鋒,王 強(qiáng),張秀娟,鄧明發(fā)

(北京東方銳鐳科技有限公司，北京 100015)

·綜述與評(píng)論·

光纖激光器中包層光濾除器的研究進(jìn)展

趙 水,段云鋒,王 強(qiáng),張秀娟,鄧明發(fā)

(北京東方銳鐳科技有限公司，北京 100015)

包層光濾除器對(duì)高功率光纖激光器系統(tǒng)的作用非常重要，影響著輸出激光的光束質(zhì)量和單色性，包層光濾除器是光纖激光器產(chǎn)品化的核心元器件。本文簡(jiǎn)述了光纖激光器包層光濾除器的工作原理，總結(jié)了幾種包層光濾除器的結(jié)構(gòu)和工作性能，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)包層光濾除器的研究方向具有一定的指導(dǎo)意義。

高功率光纖激光器；包層光濾除；折射率；研究進(jìn)展

1 引 言

光纖激光器因其在光束質(zhì)量、轉(zhuǎn)換效率、可靠性和結(jié)構(gòu)緊湊性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)加工、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。在光纖激光器的研制過程中，為了滿足應(yīng)用需求，激光輸出功率和光束質(zhì)量是非常重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，較高的光束質(zhì)量意味著較高的激光功率密度。

雙包層光纖激光器有利于提高激光輸出功率和泵浦耦合效率，其采用的包層泵浦方式使激光器實(shí)現(xiàn)多模泵浦和單模輸出。而輸出激光中包含了一定量的包層光，這嚴(yán)重影響了激光的光束質(zhì)量和單色性，需及時(shí)濾除。

在實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中，產(chǎn)生殘余包層光的主要因素有：在增益光纖末端存在未被吸收的剩余泵浦光；在纖芯光的傳播過程中，泄漏到包層的信號(hào)光和放大自發(fā)輻射光(ASE)[1]；熔接損耗導(dǎo)致的纖芯光泄漏至包層[2]；光纖熔接點(diǎn)處存在的模式不匹配[3]；光纖彎曲導(dǎo)致纖芯中的高階模泄漏[4]。上述殘余包層光中的大數(shù)值孔徑光主要來自未被吸收的泵浦光，而較小的數(shù)值孔徑光來自由光纖彎曲和模式不匹配形成的泄漏的信號(hào)光。本文對(duì)高功率光纖激光器中包層光濾除的原理及主要方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)該領(lǐng)域的研究進(jìn)展及未來發(fā)展方向了進(jìn)行了概述。

2 包層光濾除器的工作原理

包層光濾除器把在包層內(nèi)傳輸?shù)氖Ｓ喙鉃V出光纖，從而消除這部分光對(duì)激光光束質(zhì)量的影響。光纖內(nèi)部是以子午光線傳播的，只有滿足全反射條件的光線才能被限制在光纖內(nèi)傳輸，如圖1所示。

圖1 子午光纖的全反射示意圖

包層光在內(nèi)包層與外包層界面被多次反射而被限制在內(nèi)包層傳輸，其全反射條件為：

ψ>ψ0=arcsin(n3/n2)

(1)

其中,n2為內(nèi)包層的折射率;n3為外包層的折射率;ψ為光線在內(nèi)/外包層界面的入射角。由上式可以看出，只有入射角ψ大于臨界角ψ0的光線才能被繼續(xù)傳輸。而包層光濾除的中心思想為：剝?nèi)ス饫w的外包層與保護(hù)層，改變內(nèi)包層周圍介質(zhì)的折射率(即改變n3的大小)，破壞光纖全反射條件，使光不滿足全反射條件而折射出內(nèi)包層。

3 包層光濾除器的研究現(xiàn)狀

目前有較多闡述如何濾除剩余包層光的文章。脫離光纖傳輸?shù)墓馀c其他物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生熱，尤其在高功率光纖激光器中的殘余包層光功率可高至數(shù)百瓦，產(chǎn)生的大量熱會(huì)積聚在較小的面積內(nèi)，因此包層光濾除器的性能優(yōu)劣主要取決于熱量積聚導(dǎo)致的溫度分布和濾除光功率的比例。下面將對(duì)各種方法進(jìn)行介紹。

3.1 高折射率膠的方法

較為常見的一種方法是在內(nèi)包層外涂高折射率的導(dǎo)光材料[5]。

圖2為結(jié)構(gòu)示意圖。具體方法為在光纖上將一定長(zhǎng)度的外包層剝除，使內(nèi)包層裸露并放置在金屬槽內(nèi)，在槽內(nèi)涂覆一定數(shù)量的導(dǎo)光膠。金屬槽熱沉有利于散熱。彎曲形狀的槽有利于較小數(shù)值孔徑(NA)的光濾出光纖，提高光濾除效果。經(jīng)過理論模擬得出，導(dǎo)光材料的折射率越大，濾除的包層光越多。為了提高包層光的損耗，一般采用折射率大于內(nèi)包層的導(dǎo)光膠。

為避免導(dǎo)光材料溫度隨著注入光功率增加而不斷升高，導(dǎo)光膠采用一種負(fù)溫度反饋材料，即材料折射率隨溫度升高而降低。隨著濾除光功率的增加，導(dǎo)光膠的溫度逐漸升高，此時(shí)折射率逐漸減小。當(dāng)折射率降低至與內(nèi)包層折射率相近時(shí)，光的濾除過程基本停止，即膠體溫度維持在定值。這種濾除材料有效避免了因注入光功率不斷升高而導(dǎo)致溫度太高，降低了對(duì)光學(xué)器件的損害。上述濾除包層光的方法存在一定的弊端，即包層光在較短的長(zhǎng)度內(nèi)被大量濾除，導(dǎo)致熱沉上功率密度較高，給散熱帶來很大壓力。

圖2 彎曲形光纖槽示意圖

為了減輕局部熱量積累導(dǎo)致溫度太高，光束在膠體內(nèi)產(chǎn)生的熱量應(yīng)被均勻分布導(dǎo)出，科研人員在這方面做了大量工作[6-7]。為了使熱量分布均勻，在一段光纖上分布涂覆三種折射率依次升高的膠，使包層光在光纖軸向分布濾除，不會(huì)造成包層光濾除器局部溫度過高，利于散熱[7]。圖3所示為使用3種導(dǎo)光膠時(shí)剩余包層光功率與沿包層光濾除器的軸向分布情況，其中導(dǎo)光材料的折射率由包層光注入端起依次為1.41、1.43、1.56，對(duì)應(yīng)圖4為使用一種導(dǎo)光膠的情況從圖中可以看出，該方案避免了包層光在較短長(zhǎng)度內(nèi)被大量濾除，由于光功率被漸次濾出光纖，每段膠體的溫度也不會(huì)太高，有利于避免局部溫度過高的情況。上述結(jié)構(gòu)提高了包層光濾除器的實(shí)用性和穩(wěn)定性，可以用在較低功率的光纖激光器中。

圖3 使用3種導(dǎo)光膠時(shí)剩余光功率在濾除器的軸向分布

圖4 使用1種導(dǎo)光膠時(shí)剩余光功率在濾除器的軸向分布

3.2 氫氟酸(HF)腐蝕光纖的方法

對(duì)于千瓦量級(jí)的高功率光纖激光器，系統(tǒng)內(nèi)殘余的泵浦光功率可達(dá)數(shù)百瓦，這給上述包層光濾除器的工作性能帶來了很大壓力，需要設(shè)計(jì)濾除效果更強(qiáng)而溫度特性穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外也有相關(guān)的論文和專利報(bào)道[8-9]。

RezaPoozesh等人在2012年提出了利用HF蒸汽霧化腐蝕光纖來濾除光功率的方法[8]，圖5為經(jīng)過HF腐蝕后的光纖示意圖。其工作原理為：光纖經(jīng)過霧化的HF處理，在包層表面形成眾多凹凸不平的小孔，破壞了光的全反射條件，將包層光導(dǎo)出；在光纖軸向均勻分布的小孔可以將熱量均勻?qū)С?，以減少光纖的局部熱量積累；包層腐蝕后直徑由400μm降為160μm，包層直徑的減小也有利于光泄露。將腐蝕拉錐后的光纖段放置在金屬槽內(nèi)，槽內(nèi)涂覆低折射率材料(n～1.37)。金屬槽有利于散熱，低折射率材料起到了保護(hù)腐蝕光纖段的作用。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，輸入光功率為90 W時(shí)，該結(jié)構(gòu)使光功率衰減16.7 dB，溫度低于53℃。

圖5 HF腐蝕后的光纖示意圖

Jason E.Langseth等人在2013年報(bào)道的專利里同樣采用了HF腐蝕光纖的方法[9]。在一定長(zhǎng)度的裸纖上涂抹含有HF成分的膏狀物質(zhì)，在其表面形成凹凸不平的小孔。上述處理過的光纖被光纖毛細(xì)管保護(hù)，并放置在通水冷的熱沉內(nèi)。通過控制刻蝕長(zhǎng)度和刻蝕時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同比例的光能量濾除。這種方法較前一種方法的效果更好，主要原因?yàn)榘鼘庸獗恢苯由⑸湓诳諝庵校瑹崃课磁c光纖接觸，使溫度狀況得到很大改善。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，110 W的光功率被濾除，溫度升高4.5 ℃。

3.3 采用高折射率基質(zhì)的方法

濾除包層光還可以通過在光纖周圍放置高折射率的固體材料來實(shí)現(xiàn)，Dahv Klrner、 Derek A.Tucker等人在2011年發(fā)表的專利里進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道[10]。具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，選用折射率略大于光纖的藍(lán)寶石作為濾除包層光的材料，因其具有高導(dǎo)熱性(導(dǎo)熱系數(shù)大于20 W/m·K)、高透明度和較好的機(jī)械性能。藍(lán)寶石下表面刻有用來放置光纖的矩形槽，藍(lán)寶石與具有高反射率的基底緊密貼合，基底放置在熱沉上以增強(qiáng)導(dǎo)熱效果。另外選用不透明的上殼進(jìn)行密封。在光纖內(nèi)包層傳輸?shù)墓馐诼憷w/藍(lán)寶石界面發(fā)生折射而進(jìn)入藍(lán)寶石基質(zhì)，光被不透明上殼吸收，產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至熱沉。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防止熱量傳至光纖，減輕了熱量積聚帶來的光纖局部過熱，具有較好的散熱能力。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)最大150 W的光功率濾除，溫度特性為0.1 ℃/W。

圖6 包層光濾除器結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 幾種結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比

表1總結(jié)了上述幾種結(jié)構(gòu)的光功率濾除效果和溫度特性。通過分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，用膏狀HF物質(zhì)腐蝕光纖對(duì)光束進(jìn)行濾除的方法，其溫度特性和濾除能力最有效。

表1 幾種包層光濾除器結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比

4 結(jié) 論

本文簡(jiǎn)述了光纖激光器中包層光濾除器的工作原理，并總結(jié)了幾種包層光濾除器的結(jié)構(gòu)和工作性能，相應(yīng)地分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于包層光濾除器的研究方向具有一定的指導(dǎo)意義。在高功率光纖激光器系統(tǒng)中，包層光濾除器對(duì)激光輸出的光束質(zhì)量和單色性起到了非常重要的作用，它的溫度分布性能是該領(lǐng)域研究的關(guān)鍵點(diǎn)。相信隨著技術(shù)、工藝等的發(fā)展，該方面的研究和應(yīng)用必將帶來十分可觀的價(jià)值。

[1] Y Xiao,F Brunet,M Kanskar,et al.1-kilowatt CW all-fiber laser oscillator pumped with wavelength-beam-combined diode stacks [J].Opt.Exp.,2012,20:3296-3301.

[2] Z Sacks,Z Schiffer,D David.Long wavelength operation of double-clad Tm:Silica fiber lasers [J].Proc.SPIE,2007,6453:201-209.

[3] F EL-Diasty.Laser-scattering-based method for investigation of ultra-low-loss arc fusion-spliced single-mode optical fibers [J].J.Lightwave.Technol.,2004,22(6):1539-1542.

[4] A Wetter,M Faucher,B Sevigny.High power cladding light strippers [J].Proc.SPIE,2008,6873:271-278.

[5] Jesse Anderegg,Stephen John Brosnan.System and method to remove light from cladding,US 7,349,596 B2[P].2008-03-25.

[6] A Wetter,M Faucher,B Sevigny.High power cladding light strippers [J].Proc.SPIE,2008,6873:271-278.

[7] WANG Wenliang,LENG Jinyong,GUO Shaofeng.Research on cladding light stripper in double-cladding all-fiber laser [J].Chinese Journal of lasers,2012,39(B06):27-30.(in Chinese) 王文亮，冷進(jìn)勇，郭少鋒.雙包層光纖激光器中包層光的濾除[J].中國(guó)激光,2012,39(B06):27-30.

[8] Reza Poozesh,Ahmad Norouzy,Ali Hamedani Golshan.A Novel method for stripping cladding lights in high power fiber lasers and amplifiers [J].Journal of Lightwave Technology,2012,30(20):3199-3202.

[9] Jason E.Langseth,Alexander E.Mandl.All glass fiber laser cladding mode stripper.US,8,433,161 B2[P].

[10]Dahv Klrner,Derek A Tucker.Scalable cladding mode stripper device.US 8,027,555 B1[P].

Research progress of the cladding light strippers in fiber lasers

ZHAO Shui,DUAN Yun-feng,WANG Qiang,ZHANG Xiu-juan,DENG Ming-fa

(Beijing Oriental Sharp Iaser Technology Co.,Ltd,Beijing 100015,China)

Cladding light strippers play an important role in high power fiber lasers,which affect the beam quality and the monochromaticity of lasers,so the related research has great practical value.The principle of cladding light strippers was explained,and the structures and the performances of several cladding light strippers were summarized and analyzed,which has guiding significance for the research of cladding light stripper.

high power fiber laser; cladding light stripper; refractive index; research progress

趙 水(1988-)，女，碩士，主要從事高功率光纖激光器方面的研究。E-mail：zhaoshui29308302@163.com

2014-11-24

1001-5078(2015)07-0749-04

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.003